塔型风送式果园喷雾机风场参数优化设计

宋雷洁,李建平,杨 欣,王鹏飞

(河北农业大学 机电工程学院,河北 保定 071001)

0 引言

随着我国果园的规模化发展,病虫害发生的面积也随之增大,果树的病虫害防治工作是生产管理过程中一项重要环节,施药效果的好坏直接影响果实的品质和产量[1]。现阶段我国果园中普遍应用风送式喷雾技术,可以细化雾滴粒径,带动叶片间的扰动,从而增加树膛中部雾滴的穿透性,提高树膛内部药液沉积量[2-5],有效减少雾滴的飘移,农药利用率高[6-7]。

塔型喷雾机的喷雾出风口由传统的半圆形变为垂直直线形,雾滴在轴流风机的气流作用下水平喷射至冠层,在一定程度上避免了向上无靶标喷雾的药液浪费[8]。由于塔型喷雾机立板高度较高,普遍存在顶部气流流量较少的情况,导致喷雾机上方风速较低;而气流的导流过程在很大程度上影响着喷雾机顶部风送效果,风机提供的气流通过喷雾机内部导流板的导向作用,对喷雾机内部气流进行分配,改变气流的分布,从而调整喷雾机顶部的风送效果。不同尺寸、不同安装角度的导流板会引起不同的导流效果,故可改变上方导流板的参数,通过流体仿真软件对导流板的不同安装情况进行仿真分析,观察因导流板安装参数的不同而引起的导流效果的变化,找出导流板的最佳安装参数组合。

1 塔型风送式果园喷雾机结构与原理

塔型风送式喷雾机主要由风机、立板、导流装置、喷头、药箱及药泵等工作部件组成,通过AIP软件绘制的塔型喷雾机的三维模型如图1所示。

1.喷头 2.导流板 3.药箱 4.药泵 5.风机 6.立板图1 塔型风送式果园喷雾机三维模型图Fig.1 Three-dimensional model diagram of tower type wind-driven orchard sprayer

喷雾机工作时,风机提供强大的气流,经内部导流板导向后输送至出风口,药液在高速气流的吹送下与空气撞击而雾化,被输送至果树。由于塔型喷雾机高度较高,若导流板安装不合理,则会出现风机附近气流较强而顶端气流少的情况,导致喷雾效果不均匀。因此,需通过改变导流板的安装参数、调整导流板对腔体内部气流的导向作用,尽可能将气流均匀分布于腔体内各处,进而使得各出风口所形成的气流场基本相同,各出风口的喷雾效果达到最佳状态。

2 仿真模型的建立及仿真分析

2.1 技术路线

塔型风送式果园喷雾机送风装置风场流体分析的技术路线如图2所示。针对研究内容,查阅与之相关的文献和资料,利用三维设计软件建立仿真分析的流体域模型,通过仿真分析软件对流体域模型进行分析计算,并通过观察计算结果找出最佳组合参数。

图2 技术路线图Fig.2 Technical roadmap

2.2 仿真模型的建立

喷雾机立板高H=2 000mm、长L=1 000mm、宽W=85mm、风机直径D=810mm。由于导流板1、导流板2、导流板3(导流板自下而上设为导流板1、2、3、4、5)距离风机位置较近,所以导流板1、导流板2、导流板3的长度不能过长,且安装角度(导流板与水平方向夹角)设定为接近风机的径向方向效果最好,故设置β1=-30°、β2=0°、β3=30°,在导流板不会产生干涉的前提下设定l1=l2=l3=130mm不变。由于导流板4、导流板5距离风机位置较远,所以导流板的导向作用更加重要。若导流板4、导流板5安装合理,则能增强喷雾机顶部气流分布,从而提高喷雾机顶部的风送效果。

利用正交试验法对导流板4、导流板5不同安装情况进行进一步仿真计算分析,通过正交试验数据总结出导流板4、导流板5的安装角度及长度对喷雾机顶部气流流动分布的影响,并通过观察气流的分布效果及各监测点处的气流速度等数据,找出最佳的安装参数组合,使得喷雾机顶部的气流分布达到最佳状态。初定β4=β5=30°,并以30°为基准,上下各调整10°设为三水平。以模型之间不产生干涉为基准,设定l4=l5=250mm,并以250mm为基准,上下各调整50mm设为三水平。根据以上参数所设定的因素水平表,如表1所示。

表1 因素水平表Table 1 Factor level table

利用AIP软件按照L9(34)正交试验表的9种试验参数建立对应的流体域模型,利用STAR CCM+软件分别对这9种情况进行内部气流分布的分析计算,通过观察这9组仿真试验的计算结果,对比导流板处气流流动的效果、监测点处气流速度等参数,总结出导流板的安装参数对气流流动的影响,从而进一步确定导流板的长度及安装角度的最优参数组合。

2.3 仿真分析

应用STAR CCM+软件进行仿真计算分析之前,首先需要对三维模型进行简化,然后抽出仿真计算所需流体域。利用AIP软件生成的流体域模型如图3所示。

图3 流体域模型Fig.3 Fluid domain model

仿真计算步骤如下:运行STAR CCM+软件,将利用AIP软件创建的流体域模型导入STAR CCM+软件中,对其分割边界并设定边界名称及类型。本次仿真设置网格大小为3mm,物理模型选择Gas、Coupled Flow、Ideal Gas、Steady、Turbulent、K-Epsilon Turbulent;设置入口速度为15m/s,将最大迭代步数(Maximum Steps)设置为1 000步,新建Scalar Scene以检测气流的分布情况。在导流板所在的出风口处,坐标为(0.04,1.24,-0.02)、(0.04,1.54,-0.02)两点分别设置监测点,在Reports目录中建立监测点的速度和压力reports,分别对每一监测点的reports生成monitor及plot,来监测出风口处气流速度及压力;最后,开始进行计算,并观察计算结果。

2.4 仿真结果

依照初定参数所设计的模型进行仿真分析,第1组仿真试验(β4=20°、β5=20°、l4=200mm、l5=200mm)的仿真结果如图4所示。

图4 第1组仿真试验结果Fig.4 Group 1 simulation test results

2.4.1 判断模型

通过观察云图可以看出:导流板4、导流板5的周围存在部分深蓝色低速区域。深蓝色区域的面积越大,则说明低速区域越大、气流速度分布越不均匀。通过计算蓝色低速区域的面积、观察监测点处的气流速度等参数的变化来对比各项仿真试验的气流分布情况,从中找出最优的结果。

将低速区圈出,绘制成二维图形,建立直角坐标系如图5、图6所示。利用定积分公式求出低速区域面积。由仿真云图可观察出左右两侧效果大致相同,呈近似对称分布,故只对比单侧气流分布情况,以左侧蓝色低速区域面积为对象进行对比。

图5 导流板5低速区域面积示意图Fig.5 Schematic diagram of the area of the low velocity region of the deflector 5

图6 导流板4低速区域面积示意图Fig.6 Schematic diagram of the area of the low velocity region of the deflector 4

根据定积分公式,所求区域面积计算公式为

针对于第1组仿真试验导流板5周围低速区域面积(A区域)示意图列出面积公式为

同理,列出导流板4周围低速区域面积(B区域)公式为

其中,k为相应线段的斜率。

分别求出A、B区域的面积。以下8组仿真试验方案计算方法均与第1组仿真试验相同,最终计算结果汇总如表2所示。

表2 实验数据汇总表Table 2 Experimental data summary table

根据戴奋奋[9]研究所提出的末速度原则推导出公式为

其中,V1为风机出口风速(m/s);H1为风机出口垂直高度(m);V2为气流到达树体末速度(m/s);K为考虑到风量的沿程损失而设定的系数,通常取K=1.3～1.8。

戴奋奋在苹果园进行了试验研究,结果表明:苹果树末速度取值为9～10m/s。故取V2=10m/s,K=1.5代入公式,计算得出V1=15m/s。这说明,当出风口风速达到15m/s时,喷雾效果符合要求。

第2组仿真试验(β4=20°、β5=30°、l4=250mm、l5=250mm)的仿真结果如图7左图所示。第3组仿真试验(β4=20°、β5=40°、l4=300mm、l5=300mm)的仿真结果如图7右图所示。

图7 第2、3组仿真试验结果Fig.7 Group 2,3 simulation test results

由计算结果可以看出:第2组仿真试验中,v4=7.947m/s,v5=3.665m/s,S4/S=2.109%,S5/S=1.279%;第3组仿真试验中v4=7.305m/s,v5=5.401m/s,S4/S=2.977%,S5/S=1.107%。两组仿真试验中,导流板4、导流板5周围均存在较大的深蓝色低速区域,且所设监测点处气流速度较低,说明参数还需进行调整。

第4组仿真试验(β4=30°、β5=20°、l4=250mm、l5=300mm)的仿真结果如图8左图所示,第5组仿真试验(β4=30°、β5=30°、l4=300mm、l5=200mm)的仿真结果如图8右图所示。

图8 第4、5组仿真试验结果Fig.8 Group 4,5 simulation test results

由计算结果可以看出:第4组仿真试验中,导流板5周围存在较大面积的低速区域,S4/S=0.754%,S5/S=3.048%,v4=3.062m/s,v5=5.168m/s;第5组仿真试验中,导流板4、导流板5周围的低速区域面积均有所减少,S4/S=1.028%,S5/S=0.676%,v4=8.716m/s,v5=5.267m/s。两组仿真实验中,所设监测点处的气流速度较低,均未达到要求,参数还需进行调整。

第6组仿真试验(β4=30°、β5=40°、l4=200mm、l5=250mm)的仿真结果如图9左图所示,第7组仿真试验(β4=40°、β5=20°、l4=300mm、l5=250mm)的仿真结果如图9右图所示。

图9 第6、7组仿真试验结果Fig.9 Group 6,7 simulation test results

由计算结果可以看出:第6组仿真试验中,导流板5处的低速区域基本消失,S4/S=0.401%,S5/S=0.238%。所设监测点处的气流速度也有所提高,v4=16.551m/s、v5=13.043m/s。第7组仿真试验中导流板5周围存在较大低速区域,S4/S=0.068%,S5/S=2.352%,v4=4.409m/s,v5=4.137m/s。两导流板处出风口气流速度较低,效果不佳。

第8组仿真试验(β4=40°、β5=30°、l4=200mm、l5=300mm)的仿真结果如图10左图所示,第9组仿真试验(β4=40°、β5=40°、l4=250mm、l5=200mm)的仿真结果如图10右图所示。

图10 第8、9组仿真试验结果Fig.10 Group 8,9 simulation test results

由计算结果可以看出:第8组仿真试验中,导流板5周围存在部分低速区域,S4/S=0.046%,S5/S=1.784%,v4=8.442m/s,v5=4.441m/s,气流速度较低,效果不佳,参数仍需调整;第9组仿真试验中,导流板4、导流板5处的低速区域均明显减小,S4/S=0.065%,S5/S=0.265%,v4=15.246m/s,v5=17.719m/s,出风口处气流速度整体提高,均可达到要求,效果最佳。

2.4.2 数据统计

将按L9(34)正交试验表进行的9种仿真试验计算结果汇总如表2所示。

2.4.3 仿真试验结果

通过对比STAR CCM+对9种流体域分析的结果数据,可以看出导流板的不同安装参数影响着喷雾机内部流体的分布。由计算结果可知:第9组仿真试验的仿真结果最优,由云图可明显观察到调整β4=β5=40°;导流板4、导流板5处的相对低速区域面积基本消失,各导流板处监测点位置的气流速度整体较高,效果得到明显改善。

3 结论

1)利用AIP软件对塔型喷雾机的流体域进行建模,并利用STAR CCM+软件对流体域模型进行仿真分析,通过对比计算结果,总结出导流板的不同安装参数对喷雾机内气流分布的影响,并从9组试验中找出最合适的安装参数。

2)在l1=l2=l3=130mm、β1=-30°、β2=0°、β3=30°条件下,通过对比9组仿真试验的计算结果,得出结论:第9组仿真试验中,即当β4=40°、β5=40°、l4=250mm、l5=200mm时,v4=15.246m/s,S4/S=0.065%,v5=17.719m/s,S5/S=0.265%,导流板周围气流速度能达到相对较好的状态。

3)通过对比不同安装参数下导流板周围气流的分布、出风口气流速度等参数,总结出导流板的不同安装参数对塔型喷雾机出风口处气流变化的影响。基于此可进一步优化喷雾机内导流板的分布,对塔型喷雾机内部结构优化的研究方向提供建议和参考。